Кой и кога е открил явлението електромагнитна индукция. Откриване на електромагнитната индукция и самоиндукция и първите електромагнитни устройства. Взаимодействие на магнит с верига

Феноменът на електромагнитната индукция се състои в това, че при всяка промяна в магнитния поток, проникващ във веригата на затворен проводник, в този проводник се образува електрически ток, който съществува през целия процес на промяна на магнитния поток. Феноменът на електромагнитната индукция може да бъде открит в следните ситуации:

1. с относително движение на бобината и магнита;

2. при промяна на индукцията на магнитното поле във верига, която е разположена перпендикулярно на линиите на магнитното поле.

На тази снимка намотката А, който е включен във веригата на източника на ток, се вкарва в друга бобина СЪСкойто е свързан към галванометъра. При затваряне и отваряне на веригата на бобината Ав макара СЪСобразува се индукционен ток. Индукционен ток възниква и при промяна на тока в намотката СЪСили когато намотките се движат една спрямо друга;

3. при промяна на положението на верига, намираща се в постоянно магнитно поле.

Токът във веригата може да се появи и когато веригата се върти в полето на постоянен магнит (фиг. А), и когато самият магнит се върти във веригата (фиг. b).

Откриването на електромагнитната индукция е едно от най-значимите открития на 19 век. Това предизвика появата и бързото развитие на електротехниката и радиотехниката.

Въз основа на явлението електромагнитна индукция са създадени мощни генератори на електрическа енергия, в чието разработване са участвали учени и техници от различни страни. Сред тях са руски учени: Емилий Христианович Ленц, Борис Семенович Якоби, Михаил Йосифович Доливо-Доброволски и други, които имат голям принос в развитието на електротехниката.

Феноменът на електромагнитната индукция е открит от Майл Фарадей през 1831 г. Дори 10 години по-рано Фарадей обмисля начин да превърне магнетизма в електричество. Той вярваше, че магнитното поле и електрическото поле трябва да бъдат свързани по някакъв начин.

Откриване на електромагнитната индукция

Например с помощта на електрическо поле можете да магнетизирате железен предмет. Вероятно би трябвало да е възможно да се генерира електрически ток с помощта на магнит.

Първо, Фарадей откри явлението електромагнитна индукция в проводници, които са неподвижни един спрямо друг. Когато в една от тях се появи ток, в другата намотка също се индуцира ток. Освен това в бъдеще той изчезна и се появи отново само когато захранването на една бобина беше изключено.

След известно време Фарадей доказва чрез експерименти, че когато намотка без ток се движи във верига спрямо друга, чиито краища са снабдени с напрежение, електрически ток ще възникне и в първата намотка.

Следващият експеримент беше въвеждането на магнит в намотката и в същото време в нея се появи ток. Тези експерименти са показани на следващите фигури.

Фарадей формулира основната причина за появата на ток в затворена верига. В затворена проводяща верига токът възниква, когато броят на линиите на магнитна индукция, които проникват в тази верига, се промени.

Колкото по-голяма е тази промяна, толкова по-силен е индуцираният ток. Няма значение как постигаме промяна в броя на линиите на магнитна индукция. Например, това може да стане чрез преместване на верига в неравномерно магнитно поле, както се случи в експеримента с магнит или преместване на намотка. И можем, например, да променим силата на тока в намотка, съседна на веригата, и магнитното поле, създадено от тази намотка, ще се промени.

Изявление на закона

Нека обобщим накратко. Феноменът на електромагнитната индукция е феноменът на възникване на ток в затворена верига, когато магнитното поле, в което се намира тази верига, се променя.

За по-точна формулировка на закона за електромагнитната индукция е необходимо да се въведе количество, което да характеризира магнитното поле - потокът на вектора на магнитната индукция.

Магнитен поток

Векторът на магнитната индукция се обозначава с буквата B. Той ще характеризира магнитното поле във всяка точка на пространството. Сега разгледайте затворена верига, ограничаваща повърхност с площ S. Нека я поставим в еднородно магнитно поле.

Ще има определен ъгъл a между нормалния вектор към повърхността и вектора на магнитната индукция. Магнитен поток Ф през повърхност с площ S се нарича физическо количество, равно на произведението на големината на вектора на магнитната индукция от площта на повърхността и косинуса на ъгъла между вектора на магнитната индукция и нормалата към контура.

Ф = B*S*cos(a).

Продуктът B*cos(a) е проекцията на вектора B върху нормалата n. Следователно формата за магнитния поток може да бъде пренаписана, както следва:

Единицата за магнитен поток е уебер. Обозначава се с 1 Wb. Магнитен поток от 1 Wb се създава от магнитно поле с индукция от 1 T през повърхност от 1 m^2, която е разположена перпендикулярно на вектора на магнитната индукция.

Теми на кодификатора на Единния държавен изпит: явление електромагнитна индукция, магнитен поток, закон на Фарадей за електромагнитната индукция, правило на Ленц.

Експериментът на Ерстед показа, че електрическият ток създава магнитно поле в околното пространство. Майкъл Фарадей стига до идеята, че може да съществува и обратен ефект: магнитното поле от своя страна генерира електрически ток.

С други думи, нека има затворен проводник в магнитно поле; Ще възникне ли електрически ток в този проводник под въздействието на магнитно поле?

След десет години търсене и експерименти Фарадей най-накрая успява да открие този ефект. През 1831 г. той провежда следните експерименти.

1. Две намотки бяха навити на една и съща дървена основа; навивките на втората намотка бяха положени между навивките на първата и изолирани. Изводите на първата намотка бяха свързани към източник на ток, изводите на втората намотка бяха свързани с галванометър (галванометърът е чувствително устройство за измерване на малки токове). Така се получават две вериги: „източник на ток - първа намотка“ и „втора намотка - галванометър“.

Нямаше електрически контакт между веригите, само магнитното поле на първата намотка проникваше през втората намотка.

При затваряне на веригата на първата намотка галванометърът регистрира къс и слаб токов импулс във втората намотка.

Когато през първата намотка тече постоянен ток, във втората намотка не се генерира ток.

При отваряне на веригата на първата намотка във втората намотка отново възниква къс и слаб токов импулс, но този път в обратна посока спрямо тока при затваряне на веригата.

Заключение.

Променящото се във времето магнитно поле на първата намотка генерира (или, както се казва, предизвиква) електрически ток във втората намотка. Този ток се нарича индуциран ток.

Ако магнитното поле на първата намотка се увеличи (в момента, когато токът се увеличава, когато веригата е затворена), тогава индуцираният ток във втората намотка протича в една посока.

Ако магнитното поле на първата намотка намалее (в момента, в който токът намалява, когато веригата е отворена), тогава индуцираният ток във втората намотка протича в различна посока.

Ако магнитното поле на първата намотка не се променя (постоянен ток през нея), тогава във втората намотка няма индуциран ток.

Фарадей нарече открития феномен електромагнитна индукция(т.е. „индукция на електричество чрез магнетизъм“).

2. За потвърждаване на предположението, че се генерира индукционен ток променливимагнитно поле, Фарадей премести намотките една спрямо друга. Веригата на първата намотка остава затворена през цялото време, през нея тече постоянен ток, но поради движение (приближаване или разстояние) втората намотка се оказва в променливото магнитно поле на първата намотка.

Галванометърът отново записа тока във втората намотка. Индукционният ток има една посока, когато намотките се приближават една към друга, и друга посока, когато се отдалечават. В този случай силата на индукционния ток беше по-голяма, колкото по-бързо се движеха намотките..

3. Първата намотка беше заменена с постоянен магнит. Когато във втората намотка беше поставен магнит, възникна индукционен ток. Когато магнитът беше изваден, токът се появи отново, но в друга посока. И отново, колкото по-бързо се движи магнитът, толкова по-голяма е силата на индукционния ток.

Тези и следващите експерименти показаха, че индуциран ток в проводяща верига възниква във всички онези случаи, когато се променя „броят на линиите“ на магнитното поле, проникващо във веригата. Силата на индукционния ток се оказва толкова по-голяма, колкото по-бързо се променя този брой линии. Посоката на тока ще бъде една, когато броят на линиите във веригата се увеличава, и друга, когато намаляват.

Забележително е, че за големината на тока в дадена верига е важна само скоростта на промяна на броя на линиите. Какво точно се случва в този случай няма значение – дали самото поле се променя, прониквайки в неподвижния контур, или контурът преминава от област с една плътност на линиите в област с друга плътност.

Това е същността на закона за електромагнитната индукция. Но за да напишете формула и да направите изчисления, трябва ясно да формализирате неясната концепция за „броя на линиите на полето през контура“.

Магнитен поток

Концепцията за магнитен поток е точно характеристика на броя на линиите на магнитното поле, проникващи във веригата.

За простота се ограничаваме до случая на еднородно магнитно поле. Нека разгледаме контур на област, разположена в магнитно поле с индукция.

Нека първо магнитното поле е перпендикулярно на равнината на контура (фиг. 1).

Ориз. 1.

В този случай магнитният поток се определя много просто - като продукт на индукцията на магнитното поле и площта на веригата:

(1)

Сега разгледайте общия случай, когато векторът образува ъгъл с нормалата към равнината на контура (фиг. 2).

Ориз. 2.

Виждаме, че сега само перпендикулярният компонент на вектора на магнитната индукция "тече" през веригата (а компонентът, който е успореден на веригата, не "тече" през нея). Следователно, съгласно формула (1), имаме . Но, следователно

(2)

Това е общата дефиниция на магнитния поток в случай на еднородно магнитно поле. Имайте предвид, че ако векторът е успореден на равнината на контура (т.е.), тогава магнитният поток става нула.

Как да определим магнитния поток, ако полето не е равномерно? Нека просто посочим идеята. Контурната повърхност е разделена на много голям брой много малки области, в рамките на които полето може да се счита за еднородно. За всяко място изчисляваме неговия собствен малък магнитен поток, използвайки формула (2), и след това сумираме всички тези магнитни потоци.

Единицата за измерване на магнитния поток е weber(Wb). Както виждаме,

Wb = T · m = V · s. (3)

Защо магнитният поток характеризира "броя линии" на магнитното поле, проникващо във веригата? Много просто. „Броят на линиите“ се определя от тяхната плътност (и следователно от техния размер - в края на краищата, колкото по-голяма е индукцията, толкова по-плътни са линиите) и „ефективната“ площ, проникната от полето (и това не е нищо повече от ). Но умножителите формират магнитния поток!

Сега можем да дадем по-ясна дефиниция на явлението електромагнитна индукция, открито от Фарадей.

Електромагнитна индукция- това е феноменът на възникване на електрически ток в затворена проводяща верига, когато магнитният поток, преминаващ през веригата, се променя.

индуцирана емф

Какъв е механизмът, по който възниква индуциран ток? Ще обсъдим това по-късно. Дотук едно нещо е ясно: когато магнитният поток, преминаващ през веригата, се промени, някои сили действат върху свободните заряди във веригата - външни сили, причинявайки движение на заряди.

Както знаем, работата на външните сили за преместване на един положителен заряд около верига се нарича електродвижеща сила (ЕМС): . В нашия случай, когато магнитният поток през веригата се промени, се извиква съответната емф индуцирана емфи е обозначена.

Така, Индукционната емф е работата на външни сили, които възникват, когато магнитният поток през верига се промени, премествайки един положителен заряд около веригата.

Скоро ще разберем природата на външните сили, възникващи в този случай във веригата.

Законът на Фарадей за електромагнитната индукция

Силата на индукционния ток в експериментите на Фарадей се оказва по-голяма, колкото по-бързо се променя магнитният поток през веригата.

Ако за кратко време изменението на магнитния поток е равно на , то скоростпромените в магнитния поток са част (или, което е същото, производната на магнитния поток по отношение на времето).

Експериментите показват, че силата на индукционния ток е право пропорционална на големината на скоростта на промяна на магнитния поток:

Модулът е инсталиран, за да не се свързва с отрицателни стойности засега (в крайна сметка, когато магнитният поток намалее, ще бъде). Впоследствие ще премахнем този модул.

От закона на Ом за пълна верига имаме в същото време: . Следователно индуцираната ЕДС е право пропорционална на скоростта на промяна на магнитния поток:

(4)

EMF се измерва във волтове. Но скоростта на промяна на магнитния поток също се измерва във волтове! Действително, от (3) виждаме, че Wb/s = V. Следователно мерните единици на двете части на пропорционалността (4) съвпадат, следователно коефициентът на пропорционалност е безразмерна величина. В системата SI тя е равна на единица и получаваме:

(5)

Това е, което е закон на електромагнитната индукцияили Закон на Фарадей. Нека го формулираме словесно.

Законът на Фарадей за електромагнитната индукция. Когато магнитният поток, проникващ във верига, се промени, в тази верига се появява индуцирана емф, равна на модула на скоростта на промяна на магнитния поток.

Правилото на Ленц

Ще наречем магнитен поток, промяната в който води до появата на индуциран ток във веригата външен магнитен поток. И ще наречем самото магнитно поле, което този магнитен поток създава, външно магнитно поле.

Защо имаме нужда от тези условия? Факт е, че индукционният ток, възникващ във веригата, създава свой собствен собственмагнитно поле, което според принципа на суперпозицията се добавя към външно магнитно поле.

Съответно, заедно с външния магнитен поток, собственмагнитен поток, създаден от магнитното поле на индукционен ток.

Оказва се, че тези два магнитни потока – вътрешен и външен – са свързани помежду си по строго определен начин.

Правилото на Ленц. Индуцираният ток винаги има такава посока, че собственият му магнитен поток предотвратява промяната във външния магнитен поток.

Правилото на Ленц ви позволява да намерите посоката на индуцирания ток във всяка ситуация.

Нека да разгледаме някои примери за прилагане на правилото на Ленц.

Да приемем, че веригата е проникната от магнитно поле, което се увеличава с времето (фиг. (3)). Например, приближаваме магнит към контура отдолу, чийто северен полюс в този случай е насочен нагоре, към контура.

Магнитният поток през веригата се увеличава. Индуцираният ток ще бъде в такава посока, че магнитният поток, който създава, предотвратява увеличаването на външния магнитен поток. За да направите това, магнитното поле, създадено от индукционния ток, трябва да бъде насочено срещувъншно магнитно поле.

Индуцираният ток тече обратно на часовниковата стрелка, когато се гледа от посоката на магнитното поле, което създава. В този случай токът ще бъде насочен по посока на часовниковата стрелка, когато се гледа отгоре, от страната на външното магнитно поле, както е показано на (фиг. (3)).

Ориз. 3. Магнитният поток се увеличава

Сега да предположим, че магнитното поле, проникващо във веригата, намалява с времето (фиг. 4). Например, преместваме магнита надолу от примката и северният полюс на магнита сочи към примката.

Ориз. 4. Магнитният поток намалява

Магнитният поток през веригата намалява. Индуцираният ток ще има такава посока, че собственият му магнитен поток поддържа външния магнитен поток, предотвратявайки неговото намаляване. За да направите това, магнитното поле на индукционния ток трябва да бъде насочено в същата посока, като външното магнитно поле.

В този случай индуцираният ток ще тече обратно на часовниковата стрелка, когато се гледа отгоре, от страната на двете магнитни полета.

Взаимодействие на магнит с верига

И така, приближаването или отстраняването на магнит води до появата на индуциран ток във веригата, чиято посока се определя от правилото на Ленц. Но магнитното поле действа върху тока! Ще се появи сила на Ампер, действаща върху веригата от магнитното поле. Къде ще бъде насочена тази сила?

Ако искате да разберете добре правилото на Ленц и определянето на посоката на силата на Ампер, опитайте се да отговорите сами на този въпрос. Това не е много просто упражнение и отлична задача за C1 на Единния държавен изпит. Разгледайте четири възможни случая.

1. Приближаваме магнита към веригата, северният полюс е насочен към веригата.
2. Изваждаме магнита от веригата, северният полюс е насочен към веригата.
3. Приближаваме магнита към веригата, южният полюс е насочен към веригата.
4. Изваждаме магнита от веригата, южният полюс е насочен към веригата.

Не забравяйте, че магнитното поле не е еднородно: линиите на полето се отклоняват от северния полюс и се събират към юг. Това е много важно за определяне на резултантната сила на Ампер. Резултатът е следният.

Ако приближите магнита, веригата се отблъсква от магнита. Ако премахнете магнита, веригата се привлича от магнита. По този начин, ако веригата е окачена на нишка, тогава тя винаги ще се отклонява в посоката на движение на магнита, сякаш го следва. Местоположението на магнитните полюси в този случай няма значение..

Във всеки случай трябва да запомните този факт - внезапно такъв въпрос се среща в част А1

Този резултат може да се обясни от съвсем общи съображения - с помощта на закона за запазване на енергията.

Да кажем, че приближаваме магнита към веригата. Във веригата се появява индукционен ток. Но за да се създаде течение, трябва да се работи! Кой го прави? В крайна сметка ние движим магнита. Ние извършваме положителна механична работа, която се превръща в положителна работа на външните сили, възникващи във веригата, създавайки индуциран ток.

Нашата работа да преместим магнита трябва да бъде положителен. Това означава, че когато се доближим до магнита, трябва преодолявамсилата на взаимодействие на магнита с веригата, която следователно е силата отблъскване.

Сега извадете магнита. Моля, повторете тези аргументи и се уверете, че трябва да възникне сила на привличане между магнита и веригата.

Законът на Фарадей + Правилото на Ленц = Премахване на модула

По-горе обещахме да премахнем модула в закона на Фарадей (5). Правилото на Ленц ни позволява да направим това. Но първо ще трябва да се споразумеем за знака на индуцираната ЕДС - в края на краищата, без модула от дясната страна на (5), величината на ЕДС може да бъде положителна или отрицателна.

Първо се фиксира една от двете възможни посоки за преминаване на контура. Това направление е обявено положителен. Обратната посока на преминаване на контура се нарича съответно отрицателен. Коя посока на преминаване приемаме за положителна, няма значение – важно е само да направим този избор.

Магнитният поток през веригата се счита за положителен class="tex" alt="(\Phi > 0)"> !}, ако магнитното поле, проникващо във веригата, е насочено там, гледайки от мястото, където веригата преминава в положителна посока в посока, обратна на часовниковата стрелка. Ако от края на вектора на магнитната индукция положителната посока на кръга се вижда по часовниковата стрелка, тогава магнитният поток се счита за отрицателен.

Индуцираната ЕДС се счита за положителна class="tex" alt="(\mathcal E_i > 0)"> !}, ако индуцираният ток тече в положителна посока. В този случай посоката на външните сили, възникващи във веригата, когато магнитният поток през нея се променя, съвпада с положителната посока на заобикаляне на веригата.

Напротив, индуцираната ЕДС се счита за отрицателна, ако индуцираният ток тече в отрицателна посока. В този случай външните сили също ще действат по отрицателната посока на байпаса на веригата.

И така, нека веригата е в магнитно поле. Фиксираме посоката на положителния байпас на веригата. Да приемем, че магнитното поле е насочено там, като гледаме откъде се прави положителното отклонение обратно на часовниковата стрелка. Тогава магнитният поток е положителен: class="tex" alt="\Phi > 0"> .!}

Ориз. 5. Магнитният поток се увеличава

Следователно в този случай имаме. Знакът на индуцираната ЕДС се оказа противоположен на знака на скоростта на изменение на магнитния поток. Нека проверим това в друга ситуация.

А именно, нека сега приемем, че магнитният поток намалява. Съгласно правилото на Ленц, индуцираният ток ще тече в положителна посока. Това е, class="tex" alt="\mathcal E_i > 0"> !}(фиг. 6).

Ориз. 6. Магнитният поток се увеличава class="tex" alt="\Rightarrow \mathcal E_i > 0"> !}

Това всъщност е общият факт: с нашето съгласие относно знаците, правилото на Ленц винаги води до факта, че знакът на индуцираната ЕДС е противоположен на знака на скоростта на промяна на магнитния поток:

(6)

По този начин знакът за модул в закона на Фарадей за електромагнитната индукция се елиминира.

Вихрово електрическо поле

Нека разгледаме стационарна верига, разположена в променливо магнитно поле. Какъв е механизмът за възникване на индукционен ток във веригата? А именно какви сили предизвикват движението на свободните заряди, каква е природата на тези външни сили?

Опитвайки се да отговори на тези въпроси, великият английски физик Максуел открива фундаментално свойство на природата: променящото се във времето магнитно поле генерира електрическо поле. Именно това електрическо поле действа върху свободните заряди, предизвиквайки индуциран ток.

Линиите на полученото електрическо поле се оказват затворени, поради което се нарича вихрово електрическо поле. Силовите линии на вихровото електрическо поле обикалят силовите линии на магнитното поле и са насочени както следва.

Нека магнитното поле се увеличи. Ако в него има проводяща верига, тогава индуцираният ток ще тече в съответствие с правилото на Ленц - по посока на часовниковата стрелка, когато се гледа от края на вектора. Това означава, че силата, действаща от вихровото електрическо поле върху положителните свободни заряди на веригата, също е насочена натам; Това означава, че векторът на интензитета на вихровото електрическо поле е насочен точно там.

И така, линиите на интензитет на вихровото електрическо поле в този случай са насочени по посока на часовниковата стрелка (гледано от края на вектора , (фиг. 7).

Ориз. 7. Вихрово електрическо поле с нарастващо магнитно поле

Напротив, ако магнитното поле намалява, тогава линиите на интензитет на вихровото електрическо поле са насочени обратно на часовниковата стрелка (фиг. 8).

Ориз. 8. Вихрово електрическо поле с намаляващо магнитно поле

Сега можем да разберем по-добре явлението електромагнитна индукция. Същността му се състои именно във факта, че променливото магнитно поле генерира вихрово електрическо поле. Този ефект не зависи от това дали има затворена проводяща верига в магнитното поле или не; С помощта на верига ние откриваме това явление само чрез наблюдение на индуцирания ток.

Вихровото електрическо поле се различава по някои свойства от електрическите полета, които вече са ни известни: електростатичното поле и стационарното поле на зарядите, които образуват постоянен ток.

1. Линиите на вихровото поле са затворени, докато линиите на електростатичното и стационарното поле започват на положителни заряди и завършват на отрицателни.
2. Вихровото поле е непотенциално: работата му по преместване на заряд по затворен контур не е нула. В противен случай вихровото поле не би могло да създаде електрически ток! В същото време, както знаем, електростатичните и стационарните полета са потенциални.

Така, Индукционната емф в стационарна верига е работата на вихрово електрическо поле за преместване на един положителен заряд около веригата.

Нека, например, контурът е пръстен с радиус и проникнат от еднородно променливо магнитно поле. Тогава интензитетът на вихровото електрическо поле е еднакъв във всички точки на пръстена. Работната сила, с която вихровото поле действа върху заряда, е равна на:

Следователно за индуцираната ЕДС получаваме:

ЕДС на индукция в движещ се проводник

Ако проводник се движи в постоянно магнитно поле, тогава в него се появява и индуцирана емф. Причината обаче сега не е вихровото електрическо поле (то не възниква - все пак магнитното поле е постоянно), а действието на силата на Лоренц върху свободните заряди на проводника.

Нека разгледаме ситуация, която често се случва при проблеми. Паралелните релси са разположени в хоризонтална равнина, разстоянието между тях е равно на . Релсите са във вертикално еднородно магнитно поле. Тънък проводящ прът се движи по релсите със скорост ; тя остава перпендикулярна на релсите през цялото време (фиг. 9).

Ориз. 9. Движение на проводник в магнитно поле

Да вземем положителен свободен заряд вътре в пръчката. Поради движението на този заряд заедно с пръта със скорост, силата на Лоренц ще действа върху заряда:

Тази сила е насочена по оста на пръта, както е показано на фигурата (вижте това сами - не забравяйте правилото на часовниковата стрелка или лявата ръка!).

Силата на Лоренц в този случай играе ролята на външна сила: тя привежда в движение свободните заряди на пръта. Когато преместваме заряд от точка в точка, нашата външна сила ще върши работа:

(Също така считаме, че дължината на пръта е равна на .) Следователно индуцираната ЕДС в пръта ще бъде равна на:

(7)

По този начин прътът е подобен на източник на ток с положителен извод и отрицателен извод. Вътре в пръта, поради действието на външна сила на Лоренц, възниква разделяне на зарядите: положителните заряди се преместват в точка, отрицателните заряди се преместват в точка.

Нека първо приемем, че релсите не провеждат ток, тогава движението на зарядите в пръта постепенно ще спре. Наистина, тъй като положителните заряди се натрупват в края и отрицателните заряди в края, силата на Кулон ще се увеличи, с която положителният свободен заряд се отблъсква и привлича - и в един момент тази сила на Кулон ще балансира силата на Лоренц. Между краищата на пръта ще се установи потенциална разлика, равна на индуцираната ЕДС (7).

Сега приемете, че релсите и джъмперът са проводими. Тогава във веригата ще се появи индуциран ток; ще върви в посока (от „плюс източник“ към „минус“ н). Да приемем, че съпротивлението на пръта е равно (това е аналог на вътрешното съпротивление на източника на ток), а съпротивлението на секцията е равно (съпротивлението на външната верига). Тогава силата на индукционния ток ще бъде намерена съгласно закона на Ом за цялата верига:

Забележително е, че израз (7) за индуцираната ЕДС може да бъде получен и с помощта на закона на Фарадей. Хайде да го направим.
С течение на времето нашата пръчка изминава път и заема позиция (фиг. 9). Площта на контура се увеличава с площта на правоъгълника:

Магнитният поток през веригата се увеличава. Увеличението на магнитния поток е равно на:

Скоростта на промяна на магнитния поток е положителна и равна на индуцираната ЕДС:

Получихме същия резултат като в (7). Посоката на индукционния ток, отбелязваме, се подчинява на правилото на Ленц. Всъщност, тъй като токът протича в посока, неговото магнитно поле е насочено противоположно на външното поле и следователно предотвратява увеличаването на магнитния поток през веригата.

В този пример виждаме, че в ситуации, в които проводник се движи в магнитно поле, можем да действаме по два начина: или да използваме силата на Лоренц като външна сила, или да използваме закона на Фарадей. Резултатите ще бъдат същите.

След откритията ЕрстедИ АмперСтана ясно, че електричеството има магнитна сила. Сега беше необходимо да се потвърди влиянието на магнитните явления върху електрическите. Фарадей брилянтно реши този проблем.

Майкъл Фарадей (1791-1867) е роден в Лондон, в една от най-бедните му части. Баща му беше ковач, а майка му беше дъщеря на земеделски стопанин. Когато Фарадей достига училищна възраст, той е изпратен в начално училище. Курсът, който Фарадей взе тук, беше много тесен и се ограничаваше само до това да се научи да чете, пише и да започне да брои.

На няколко крачки от къщата, в която е живяло семейство Фарадей, е имало книжарница, която е била и книговезко заведение. Това е мястото, където Фарадей се озовава, след като е завършил началното си училище, когато възниква въпросът за избора на професия за него. По това време Майкъл беше само на 13 години. Още в младостта си, когато Фарадей едва започва самообразованието си, той се стреми да разчита изключително на факти и да проверява посланията на другите със собствения си опит.

Тези стремежи го доминират през целия му живот, като основните характеристики на неговата научна дейност Фарадей започва да извършва физични и химически експерименти още като момче при първото си запознанство с физиката и химията. Един ден Майкъл присъства на една от лекциите Хъмфри Дейви, великият английски физик.

Фарадей си записва подробно лекцията, подвързва я и я изпраща на Дейви. Той беше толкова впечатлен, че покани Фарадей да работи с него като секретар. Скоро Дейви отиде на пътуване до Европа и взе Фарадей със себе си. В продължение на две години те посетиха най-големите европейски университети.

Връщайки се в Лондон през 1815 г., Фарадей започва работа като асистент в една от лабораториите на Кралския институт в Лондон. По това време това е една от най-добрите физични лаборатории в света. От 1816 до 1818 г. Фарадей публикува редица малки бележки и кратки мемоари по химия. Първата работа на Фарадей по физика датира от 1818 г.

Въз основа на опита на своите предшественици и съчетавайки няколко от собствените си преживявания, до септември 1821 г. Майкъл публикува „Историята на успеха на електромагнетизма“. Още по това време той формира напълно правилна концепция за същността на явлението отклонение на магнитна игла под въздействието на ток.

След като постига този успех, Фарадей напуска обучението си в областта на електричеството за десет години, посвещавайки се на изучаването на редица теми от различен вид. През 1823 г. Фарадей прави едно от най-важните открития в областта на физиката – той пръв втечнява газ и в същото време създава прост, но ефективен метод за превръщане на газове в течност. През 1824 г. Фарадей прави няколко открития в областта на физиката.

Освен всичко друго, той установи факта, че светлината влияе върху цвета на стъклото, променяйки го. На следващата година Фарадей отново се обърна от физиката към химията и резултатът от работата му в тази област беше откриването на бензин и сярно-нафталинова киселина.

През 1831 г. Фарадей публикува трактат „За специален вид оптична илюзия“, който служи като основа за отличен и любопитен оптичен снаряд, наречен „хромотроп“. През същата година е публикуван друг трактат на учения „За вибриращи плочи“. Много от тези произведения биха могли сами да увековечат името на своя автор. Но най-важните научни трудове на Фарадей са неговите изследвания в областта на електромагнетизъм и електрическа индукция.

Строго погледнато, важен клон на физиката, който третира явленията на електромагнетизма и индуктивното електричество и който в момента е от такова огромно значение за технологията, е създаден от Фарадей от нищото.

По времето, когато Фарадей най-накрая се посвети на изследвания в областта на електричеството, беше установено, че при обикновени условия наличието на електрифицирано тяло е достатъчно, за да възбуди електричество във всяко друго тяло. В същото време беше известно, че проводник, през който минава ток и който също представлява електрифицирано тяло, не оказва никакво влияние върху други проводници, разположени наблизо.

Какво причини това изключение? Това е въпросът, който интересува Фарадей и чието решение го води до най-важните открития в областта на индукционното електричество. Както си обичай, Фарадей започна серия от експерименти, предназначени да изяснят същността на въпроса.

Фарадей навива два изолирани проводника успоредни един на друг върху една и съща дървена точилка. Той свърза краищата на единия проводник към батерия от десет клетки, а краищата на другия към чувствителен галванометър. Когато токът премина през първия проводник,

Фарадей насочи цялото си внимание към галванометъра, очаквайки да забележи от неговите вибрации появата на ток във втория проводник. Но нищо подобно не се случи: галванометърът остана спокоен. Фарадей реши да увеличи силата на тока и въведе 120 галванични елемента във веригата. Резултатът беше същият. Фарадей повтаря този експеримент десетки пъти и все със същия успех.

Всеки друг на негово място би напуснал експериментите с убеждението, че токът, преминаващ през проводник, не влияе на съседния проводник. Но Фарадей винаги се опитваше да извлече от своите експерименти и наблюдения всичко, което те можеха да дадат, и следователно, без да получава пряк ефект върху жицата, свързана с галванометъра, той започна да търси странични ефекти.

Той веднага забеляза, че галванометърът, оставайки напълно спокоен по време на цялото преминаване на тока, започва да трепти, когато самата верига е затворена и когато се отвори. Оказа се, че в момента, когато токът преминава през първия проводник, и също когато това предаване спре, при втория проводник също се възбужда от ток, който в първия случай има обратна посока на първия ток и същата с него във втория случай и продължава само един миг.

Тези вторични мигновени токове, породени от влиянието на първичните, са наречени от Фарадей индуктивни и това име им е останало и до днес. Бидейки мигновени, мигновено изчезващи след появата си, индуктивните токове не биха имали практическо значение, ако Фарадей не беше намерил начин с помощта на гениално устройство (комутатор) непрекъснато да прекъсва и отново да провежда първичния ток, идващ от батерията първият проводник, благодарение на което вторият проводник непрекъснато се възбужда от все повече и повече индуктивни токове, като по този начин става постоянен. Така беше открит нов източник на електрическа енергия, в допълнение към познатите досега (триене и химични процеси), - индукция, и нов вид тази енергия - индукционно електричество.

Продължавайки експериментите си, Фарадей по-нататък открива, че простото приближаване на проводник, усукан в затворена крива, близо до друг, през който протича галваничен ток, е достатъчно, за да възбуди индуктивен ток в неутралния проводник в посока, обратна на галваничния ток, и че премахването на неутрален проводник отново възбужда индуктивен ток в него, токът вече е в същата посока като галваничния ток, протичащ по неподвижен проводник, и че накрая тези индуктивни токове се възбуждат само по време на приближаването и отдалечаването на проводника към проводника. на галваничния ток и без това движение токовете не се възбуждат, независимо колко близо са проводниците един до друг.

Така беше открито ново явление, подобно на описаното по-горе явление индукция, когато галваничният ток се затваря и спира. Тези открития на свой ред породиха нови. Ако е възможно да се предизвика индуктивен ток чрез късо съединение и спиране на галваничния ток, тогава няма ли да се получи същия резултат чрез магнетизиране и демагнетизиране на желязо?

Работата на Ерстед и Ампер вече е установила връзката между магнетизма и електричеството. Известно е, че желязото става магнит, когато около него се навие изолирана жица и през нея премине галваничен ток, и че магнитните свойства на това желязо се прекратяват веднага щом токът спре.

Въз основа на това Фарадей излезе с този вид експеримент: два изолирани проводника бяха навити около железен пръстен; с едната тел, увита около едната половина на пръстена, а другата около другата. През единия проводник беше прекаран ток от галванична батерия, а краищата на другия бяха свързани към галванометър. И така, когато токът се затвори или спря и когато, следователно, железният пръстен беше намагнетизиран или демагнетизиран, стрелката на галванометъра бързо осцилира и след това бързо спря, тоест същите моментни индуктивни токове бяха възбудени в неутралния проводник - този път: вече под въздействието на магнетизма.

Така тук за първи път магнетизмът е превърнат в електричество. След като получи тези резултати, Фарадей реши да разнообрази своите експерименти. Вместо железен пръстен той започна да използва желязна лента. Вместо да възбуди магнетизма в желязото чрез галваничен ток, той магнетизира желязото, като го докосне до постоянен стоманен магнит. Резултатът беше същият: винаги в жицата, увита около ютията! ток се възбуждаше в момента на намагнитване и размагнитване на желязото.

След това Фарадей въведе стоманен магнит в телената спирала - приближаването и отстраняването на последния предизвика индуцирани токове в жицата. С една дума, магнетизмът, в смисъл на възбуждащи индукционни токове, действаше точно по същия начин като галваничния ток.

МАГНИТНО ПОЛЕ

Магнитното взаимодействие на движещи се електрически заряди, според концепциите на теорията на полето, се обяснява по следния начин: всеки движещ се електрически заряд създава магнитно поле в околното пространство, което може да действа върху други движещи се електрически заряди.

B е физическа величина, която е силова характеристика на магнитно поле. Нарича се магнитна индукция (или индукция на магнитно поле).

Магнитна индукция- векторно количество. Големината на вектора на магнитната индукция е равна на съотношението на максималната стойност на силата на Ампер, действаща върху прав проводник с ток, към силата на тока в проводника и неговата дължина:

Единица за магнитна индукция. В Международната система от единици единицата за магнитна индукция се приема за индукция на магнитно поле, в което максимална сила на Ампер от 1 N действа върху всеки метър дължина на проводника с ток от 1 A. Тази единица се нарича тесла (съкратено Т), в чест на изключителния югославски физик Н. Тесла:

СИЛА НА ЛОРЕНТЦ

Движението на проводник с ток в магнитно поле показва, че магнитното поле действа върху движещи се електрически заряди. Силата на Ампер действа върху проводника F A = ​​​​IBlsin a, а силата на Лоренц действа върху движещ се заряд:

Където а- ъгъл между векторите B и v.

Движение на заредени частици в магнитно поле. В еднородно магнитно поле заредена частица, движеща се със скорост, перпендикулярна на индукционните линии на магнитното поле, се въздейства от сила m, постоянна по големина и насочена перпендикулярно на вектора на скоростта Под въздействието на магнитна сила, частицата придобива ускорение, чийто модул е ​​равен на:

В еднородно магнитно поле тази частица се движи в кръг. Радиусът на кривината на траекторията, по която се движи частицата, се определя от условието, от което следва,

Радиусът на кривината на траекторията е постоянна стойност, тъй като сила, перпендикулярна на вектора на скоростта, променя само посоката си, но не и величината. А това означава, че тази траектория е кръг.

Периодът на въртене на частица в еднородно магнитно поле е равен на:

Последният израз показва, че периодът на въртене на частица в еднородно магнитно поле не зависи от скоростта и радиуса на нейната траектория.

Ако силата на електрическото поле е нула, тогава силата на Лоренц l е равна на магнитната сила m:

ЕЛЕКТРОМАГНИТНА ИНДУКЦИЯ

Феноменът на електромагнитната индукция е открит от Фарадей, който установява, че електрически ток възниква в затворена проводяща верига при всяка промяна в магнитното поле, проникващо във веригата.

МАГНИТЕН ПОТОК

Магнитен поток Е(поток на магнитна индукция) през повърхностна площ С- стойност, равна на произведението на големината на вектора на магнитната индукция и площта Си косинус на ъгъла Амежду вектора и нормалата към повърхността:

Ф=BScos

В SI единицата за магнитен поток е 1 Weber (Wb) - магнитен поток през повърхност от 1 m2, разположена перпендикулярно на посоката на еднородно магнитно поле, чиято индукция е 1 T:

Електромагнитна индукция- феноменът на възникване на електрически ток в затворена проводяща верига с всяка промяна в магнитния поток, проникващ във веригата.

Възниквайки в затворен контур, индуцираният ток има такава посока, че неговото магнитно поле противодейства на промяната в магнитния поток, която го причинява (правило на Ленц).

ЗАКОН ЗА ЕЛЕКТРОМАГНИТНАТА ИНДУКЦИЯ

Експериментите на Фарадей показаха, че силата на индуцирания ток I i в проводяща верига е право пропорционална на скоростта на промяна в броя на линиите на магнитна индукция, проникващи през повърхността, ограничена от тази верига.

Следователно силата на индукционния ток е пропорционална на скоростта на промяна на магнитния поток през повърхността, ограничена от контура:

Известно е, че ако във веригата се появи ток, това означава, че външни сили действат върху свободните заряди на проводника. Работата, извършена от тези сили за преместване на единичен заряд по затворен контур, се нарича електродвижеща сила (ЕМС). Нека намерим индуцираната емф ε i.

Според закона на Ом за затворена верига

Тъй като R не зависи от , тогава

Индуцираната ЕДС съвпада по посока с индуцирания ток и този ток, в съответствие с правилото на Ленц, е насочен така, че създаваният от него магнитен поток противодейства на промяната във външния магнитен поток.

Закон за електромагнитната индукция

Индуцираната ЕДС в затворена верига е равна на скоростта на промяна на магнитния поток, преминаващ през веригата, взета с обратен знак:

САМОИНДУКЦИЯ. ИНДУКТИВНОСТ

Опитът показва, че магнитният поток Есвързан с верига е право пропорционален на тока в тази верига:

Ф = L*I .

Индуктивност на веригата Л- коефициент на пропорционалност между преминаващия през веригата ток и създадения от него магнитен поток.

Индуктивността на проводника зависи от неговата форма, размер и свойства на околната среда.

Самоиндукция- феноменът на възникване на индуцирана ЕДС във верига, когато магнитният поток се промени, причинено от промяна в тока, преминаващ през самата верига.

Самоиндукцията е частен случай на електромагнитна индукция.

Индуктивността е величина, числено равна на самоиндуктивната ЕДС, която възниква във верига, когато токът в нея се променя с единица за единица време. В SI единицата индуктивност се приема за индуктивност на проводник, в който, когато силата на тока се промени с 1 A за 1 s, възниква самоиндуктивна едс от 1 V. Тази единица се нарича хенри (H):

ЕНЕРГИЯ НА МАГНИТНОТО ПОЛЕ

Феноменът на самоиндукцията е подобен на феномена на инерцията. Индуктивността играе същата роля при промяна на тока, както масата при промяна на скоростта на тялото. Аналогът на скоростта е ток.

Това означава, че енергията на магнитното поле на тока може да се счита за стойност, подобна на кинетичната енергия на тялото:

Да приемем, че след изключване на бобината от източника, токът във веригата намалява с времето по линеен закон.

ЕДС на самоиндукция в този случай има постоянна стойност:

където I е началната стойност на тока, t е периодът от време, през който силата на тока намалява от I до 0.

За време t през веригата преминава електрически заряд q = I cp t. защото I cp = (I + 0)/2 = I/2, тогава q=It/2. Следователно работата на електрически ток:

Тази работа се извършва благодарение на енергията на магнитното поле на намотката. Така отново получаваме:

Пример.Определете енергията на магнитното поле на бобината, в която при ток от 7,5 A магнитният поток е 2,3 * 10 -3 Wb. Как ще се промени енергията на полето, ако силата на тока се намали наполовина?

Енергията на магнитното поле на бобината е W 1 = LI 1 2 /2. По дефиниция индуктивността на бобината е L = Ф/I 1. следователно

Отговор:енергията на полето е 8,6 J; когато токът се намали наполовина, той ще намалее 4 пъти.